Numerische Untersuchung des Beulverhaltens von Hohlprofilen

Abstract

Polygonale Hohlprofile werden häufig in Teleskopstrukturen von mobilen Hebelösungen wie Kränen und Hubarbeitsbühnen eingesetzt, da sie eine günstige Kombination aus Tragfähigkeit und Fertigungsfreundlichkeit bieten. Mit abnehmender Wandstärke gewinnt jedoch das Beulverhalten entscheidend an Bedeutung für die Tragfähigkeit solcher Strukturen. Ziel dieser Arbeit ist es, das Beulverhalten polygonaler Hohlprofile systematisch zu untersuchen und die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Beulspannung zu analysieren.Hierzu werden analytische Berechnungen nach DIN 13001-3-1 mit numerischen Simula-tionen auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) verglichen. Eine Parameterstudie ermöglicht es, das Auslegungskriterium der Norm nachzuvollziehen und Abweichungen zwischen normativen und numerischen Beullasten zu identifizieren. Besondere Aufmerk-samkeit gilt dabei geometrischen Faktoren wie Kantungen, Krümmungen und abgerun-deten Kanten. Die richtige Modellierung der gelenkigen Lagerung einer gekrümmten Platte gemäß Norm sorgt für die radiale und tangentiale Sperrung der freien Ränder und stellt eine wesentliche Voraussetzung für konsistente Ergebnisse dar.Die Ergebnisse zeigen deutliche Unterschiede zwischen Norm und Simulation insbesondere im Bereich, in dem die Norm die Beulspannung der einzelnen Profilsegmente linear von einem von der Norm definierten Schlankheitsgrad ableitet und die Fließgrenze zur Berechnung der Beulspannung herangezogen wird. In diesem Bereich des Schlankheitsgrads schließt die Norm das Plastizieren und das nachfolgende Versagen der Platte aus. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass sich die Beullast polygonaler Hohlprofile durch gezielte geometrische Anpassungen, wie eine Erhöhung der Seitenanzahl oder die Einführung gekrümmter Profilsegmente und abgerundeter Kanten, steigern lässt. Die Arbeit leistet somit einen Beitrag zur genaueren Bewertung des Beulverhaltens polygonaler Hohlprofile und zur klareren Interpretation des in der Norm 13001 definierten Auslegungskriteriums.

Polygonal hollow sections are widely used in telescopic structures of mobile lifting solutions, as they offer an advantageous balance between load-bearing capacity and manu-facturability. However, as wall thickness decreases, the buckling behavior of such profiles becomes increasingly critical for structural performance. The present thesis aims to investigate the buckling behavior of polygonal hollow sections and to identify the key parameters influencing their buckling strength.Analytical calculations based on DIN 13001-3-1 are compared with numerical simulations using the finite element method (FEM). A parameter study is conducted to trace the design criterion defined by the standard and to explain the deviations between normative and numerical buckling loads. Particular attention is given to geometric features such as folds, curvature of the buckling fields, and rounded edges. Correct modeling of the simply supported conditions of a curved plate in accordance with the standard, ensuring radial and tangential restraint of free edges, proves to be essential for consistent results.The findings reveal significant discrepancies between the normative approach and numerical simulations, especially in the range where the standard derives the buckling stress of simple profile segments linearly from a defined slenderness parameter and employs the yield strength as the basis for calculation, while excluding plastic deformation and subsequent failure. Furthermore, it is demonstrated that the buckling resistance of polygonal hollow sections can be enhanced through targeted geometric modifications, such as increasing the number of sides, introducing curvature, or applying rounded edges. Overall, this thesis contributes to a more reliable assessment of the buckling behavior of polygonal hollow sections and provides a clearer interpretation of the design criterion specified in DIN 13001.